12 pages
Español

Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD en la detección de incendios forestales: comparación con otros sensores

-

Obtenez un accès à la bibliothèque pour le consulter en ligne
En savoir plus

Description

Resumen
En este trabajo se pretenden presentar las capacidades del satélite experimental BIRD en la detección de los incendios forestales, así como una comparación de los sensores más utilizados en las tareas de detección de hot-spots, que son AVHRR y MODIS. Se muestran resultados obtenidos por el Laboratorio de Teledetección de la Universidad de Valladolid sobre quemas prescritas en Galicia (España) durante el verano de 2003.
Abstract
This work shows the capabilities of experimental BIRD satellite to carry out forest fires detection. Its showed too a comparison among most used sensors on hot-spots detection task: AVHRR and MODIS. Results obtained from Remote Sensing Laboratory of University of Valladolid over prescribed fires on Galicia (Spain) in the summer 2003, are showed.

Sujets

Informations

Publié par
Publié le 01 janvier 2003
Nombre de lectures 24
Langue Español

Revista de Teledetección. 2003. 20: 17-27.
Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD
en la detección de incendios forestales: compara-
ción con otros sensores
A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
Correo electrónico: abel@latuv.uva.es
Laboratorio de Teledetección de la Universidad de Valladolid
RESUMEN ABSTRACT
En este trabajo se pretenden presentar las capacida- This work shows the capabilities of experimental
des del satélite experimental BIRD en la detección de BIRD satellite to carry out forest fires detection. Its
los incendios forestales, así como una comparación showed too a comparison among most used sensors
de los sensores más utilizados en las tareas de detec- on hot-spots detection task: AVHRR and MODIS.
ción de hot-spots, que son AVHRR y MODIS. Se Results obtained from Remote Sensing Laboratory of
muestran resultados obtenidos por el Laboratorio de University of Valladolid over prescribed fires on
Teledetección de la Universidad de Valladolid sobre Galicia (Spain) in the summer 2003, are showed.
quemas prescritas en Galicia (España) durante el
verano de 2003.
PALABRAS CLAVE: BIRD, MODIS, AVHRR, KEY WORDS: BIRD, MODIS, AVHRR, hots-spots
detección de incendios, parámetros del fuego. detection, fire parameters.
cultad que entraña la fabricación de sensores térmi-INTRODUCCIÓN
cos con alta resolución espacial es el principal obs-
táculo para llevar a cabo esta tarea. Algunos autoresEl estudio de los incendios forestales mediante
han realizado simulaciones para determinar el áreatécnicas de teledetección espacial se ha reducido a
mínima detectable en función de la temperatura
las tareas de cartografía de áreas incendiadas y
sobre GOES y MSG (Prins and Schmetz, 1999). En
valoración del riesgo de extensión, en los casos en
el caso de este último, y sobre nuestras latitudes,
que se requiere trabajo en tiempo real, en el primer
para que un fuego de 600 K sea detectado se nece-
caso y operatividad en el segundo. Para la realiza- sita una extensión mayor 1.5 ha. y esto sin incluir
ción de las tareas de cartografía, diversos sensores los efectos de la atenuación atmosférica. Ello hace
han mostrado sus capacidades como es el caso de que aunque GOES ha mostrado grandes resultados
LANDSAT-TM (Ortega et al., 2003) o IRS-LISS, y sobre zonas de la Amazonía donde existen incen-
para la determinación del riesgo de extensión, en dios muy extensos y de larga duración, sin embar-
baja resolución espacial el NOAA-AVHRR (Casa- go, aún está por demostrar que MSG pueda realizar
nova et al., 1998). la detección sobre nuestras latitudes teniendo en
La detección de incendios, por otra parte, es una cuenta las condiciones particulares de los incendios
necesidad aún no resuelta por no disponer de sen- que nos afectan.
sores que mezclen adecuadamente la resolución Por otra parte, el intento de establecer un sistema
temporal y la resolución espacial en el dominio del de alerta temprana de incendios mediante satélites
espectro térmico. En esta línea, los satélites geoes- polares, lo que resolvería en el problema de la reso-
tacionarios aún no han mostrado su capacidad en la lución espacial, ha sido ya contemplado a través del
detección de pequeños focos de incendios y por ello conocido proyecto FUEGO financiado por la ESA
aún no se encuentran en disposición de ser útiles y que pretende la puesta en órbita de 12 satélites
para aportar los avisos de alerta temprana. La difi- polares en tres planos orbitales para trabajar en con-
N.º 20 - Diciembre 2003 17A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
junción y ofrecer resoluciones temporales del orden sat-TM/ETM+ o TERRA-ASTER no disponen de
de 15 minutos. bandas en dicho rango espectral.
Como conclusión más relevante respecto a la La aparición del satélite experimental BIRD,
panorámica actual de la utilidad de la detección de diseñado por el laboratorio DLR de Alemania, ha
incendios mediante sensores espaciales podemos introducido algunas mejoras realmente significati-
señalar que hasta ahora ha servido para la elabora- vas en las capacidades de los sensores térmicos y a
ción de mapas de ocurrencia de incendios y obten- pesar de encontrarse en fase experimental ha apor-
ción de resultados estadísticos. Resultados de gran tado ya resultados sorprendentes en algunos casos y
utilidad que han mostrado la panorámica mundial ello hace pensar en que la búsqueda de un sistema
de la ocurrencia de incendios a lo largo de varios espacial operativo de alerta temprana, terminará
años. En este sentido el sensor ATSR y los algorit- siendo una realidad en un futuro no muy lejano
mos aplicados sobre el, han logrado realizar un (Briess et al., 2003).
ambicioso atlas de ocurrencia de incendios con la
participación de varios investigadores y colabora-
dores (Arino and Rosaz, 1997, 1998, 1999). CARACTERÍSTICAS BÁSICAS DE LA
En lo que se refiere a los sensores utilizados para MISIÓN BIRD
llevar a cabo la detección de incendios, el más
importante ha sido, sin duda, el NOAA-AVHRR El satélite BIRD (Bi-spectral Infrared Detection)
debido a su mayor resolución temporal y el tipo de fue puesto en órbita el 22 de octubre de 2001 en una
sensores de los que está dotado. La detección órbita polar heliosíncrona de 572 km. y su principal
mediante AVHRR ha sido desarrollada a través de tarea ha sido la caracterización de anomalías térmi-
diferentes algoritmos que podemos clasificar en cas sobre la superficie de la tierra. Entre otros obje-
algoritmos basados en umbrales fijos y algoritmos tivos de la misión que incluían temática orbital,
contextuales, cuyos parámetros han sido adaptados cabe destacar la puesta en funcionamiento de un
a las diferentes zonas de estudio. La baja resolución sensor infrarrojo con un rango radiométrico diná-
2espacial, de 1km , de este sensor ha dado lugar al mico.
estudio a nivel de sub-píxel, mediante la aplicación La carga útil del BIRD está compuesta por dos
de la metodología de Dozier (1981), a partir de la sensores. El primero de ellos, WAOSS-B (Wide-
cual es posible determinar simultáneamente la tem- Angle Optoelectronic Stereo Scanner), contiene las
peratura del fuego y la fracción de área que se bandas VIS (0.6-0.67 μm) y NIR (0.84-0.9 μm),
encuentra ardiendo. A pesar de las limitaciones de que con una resolución de 185 metros y un campo
las que adolece este sensor, es inevitable utilizarlo de visión de 50º abarcan una línea de barrido de 533
como referencia comparativa para los sensores pos- km, con una resolución radiométrica de 11 bits. Sin
teriores como MODIS. embargo la generación de índices de vegetación no
La aparición del sensor MODIS, en 1999, sobre está asegurada puesto que las bandas no se encuen-
las plataformas TERRA y AQUA, aportando 36 tran perfectamente co-registradas, por lo que los
bandas espectrales ha mejorado enormemente las píxeles no son coincidentes.
capacidades de la detección de forma que los algo- El otro sensor, mucho más importante desde el
ritmos basados en AVHRR han sido adaptados y punto de vista de la detección de hot-spots, que nos
mejorados para la operatividad de MODIS (Kauf- ocupa, es el HSRS (Hot Spot Recognition Sensor)
man and Justice, 1998). El Laboratorio de Telede- compuesto por las bandas MIR (3.4-4.2 μm) en el
tección de la Universidad de Valladolid (LATUV) infrarrojo medio y TIR (8.5-9.3 μm) en el infrarro-
ha puesto en funcionamiento un receptor TERRA- jo térmico. En campo de visión en este caso es de
MODIS que se encuentra ya operativo y trabajando 19º, una estrecha banda que corresponde a 190 km
sobre la detección de incendios aportando resulta- a nivel de la superficie terrestre. Su resolución
dos en tiempo real durante la campaña de verano de espacial es de 370 m. aunque por tratarse de dos
2003. arrays de detectores en forma escalonada, los pixe-
Los sensores mencionados, son capaces de reali- les se encuentran grabados en imagen a 185 km. El
zar la detección gracias a disponer de sensores sensor HSRS es idóneo para la detección de hot-
midiendo en el rango espectral de las 3-4 μm, pero spots por tres razones principales; en primer lugar
2restringen su resolución espacial a 1 km . Otros su adecuada resolución espacial en el térmico, la
sensores con alta resolución espacial como Land- segunda es la excelente resolución radiométrica de
18 N.º 20 - Diciembre 2003Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD en la detección de incendios forestales...
14 bits. La tercera característica es la utilización de radiométricos bruscos, determinando umbrales de
un rango dinámico espectral que impide la satura- forma dinámica en función de parámetros estadísti-
ción de la señal a altas temperaturas; esto es, duran- cos obtenidos en los alrededores del píxel de análi-
te la captación de una escena, se realiza simultáne- sis (media y desviación estándar). Este algoritmo
amente, en el mismo tiempo de muestreo, una determina umbrales variables de forma automática
segunda exposición que analizará si el detector se pero presenta el inconveniente de generar muchas
encuentra cerca de la saturación, en cuyo caso se falsas alarmas en las inmediaciones de zonas con
realiza una expansión del rango radiométrico man- cubierta nubosa, si no se ha llevado a cabo un
teniendo una resolución en la escala de temperatu- correcto filtrado.
ras de 0.1-0.2 K (Lorentz and Skrbek, 2001). Por lo que respecta al análisis a nivel sub-píxel
El satélite BIRD es un prototipo experimental, de para la determinación de la temperatura del fuego y
dimensiones muy reducidas y cuyo coste de fabrica- área de llama se utiliza la técnica de Dozier (1981).
ción ha sido realmente modesto, pero sus capacida- Esta técnica está basada en la resolución del siste-
des en la detección de fuegos han sido excelentes. ma de ecuaciones:
DETECCIÓN DE INCENDIOS Y ANÁLISIS
SUB-PIXEL donde L es la radiancia obtenida en cada una dei
las bandas MIR y TIR, T y p son la temperaturaf
Todos los algoritmos de detección de incendios del fuego y la fracción del píxel ocupado por el
forestales desde satélite están basados en la utiliza- mismo, T es la temperatura de la zona que noback
ción de dos bandas espectrales situadas en el infra- arde y t la transmitancia atmosférica en cadai
rrojo medio, en el intervalo de 3-4 μm, y en el infra- banda. Las restricciones que tiene la aplicación de
rrojo térmico, en torno a las 11 μm. En el caso del esta metodología son diversas; por supuesto se
sensor AVHRR las bandas implicadas son 3 y 4 res- asume que la señal radiométrica introducida en
pectivamente, en el caso de MODIS la 23 y 31 y dichas ecuaciones no podrá estar saturada. Otro
para BIRD son la MIR y TIR. Cuando la tempera- inconveniente es que no se tiene en cuenta el tér-
tura observada es elevada, porque procede de un mino de reflexión solar, que en el rango espectral
foco de llama, la radiancia recibida en la banda del MIR no es nulo. Su aplicación, por tanto, es
MIR supera a la de la banda TIR, lo que no ocurre más recomendada para imágenes nocturnas. Los
para temperaturas moderadas. Este resultado físico, autores del algoritmos ABBA aplicado al satélite
puesto de manifiesto a partir de la función de geoestacionario GOES (Prins and Menzel, 1993)
Planck, es el utilizado por los algoritmos de umbra- introducen un término adicional en las ecuaciones
les y algoritmos contextuales para llevar a cabo la de Dozier referido a la mencionada reflexión. Tén-
detección. Bien es cierto que llamas y rescoldos gase en cuenta, no obstante, que la contribución de
pequeños pueden aportar una radiancia superior en la reflexión solar en el MIR puede reducirse con-
TIR respecto a MIR, pero eso sólo sería detectable siderablemente desplazando ligeramente la fun-
mediante sensores de muy reducido campo de ción de respuesta del sensor.
visión en que el fuego ocupara el píxel en su totali- Otras restricciones más difíciles de considerar
dad. Esta no sería, en todo caso, la situación real por el desconocimiento de los parámetros de super-
observable desde satélite. ficie es que en dichas ecuaciones no se han intro-
Los algoritmos para la detección de hot-spots ducido los valores de emisividad espectral que
están agrupados en dos categorías principalmente. aunque para el fuego vale la unidad, la superficie
En primer lugar los que utilizan umbrales fijos de no es exactamente un cuerpo negro, aunque se
temperatura (Kaufman et al, 1990) en la banda MIR aproxima. Esta aproximación puede justificarse
y en la diferencia (MIR-TIR) que se asumirá positi- debido a que esta técnica se aplica sobre superfi-
va en función de los dicho en el párrafo anterior. cies forestales con valores de emisividad espectral
Estos algoritmos presentan la dificultad de elegir el variables en un estrecho intervalo (Wan, 1999) y
umbral fijo adecuado ya que éste puede depender muy cercanos a la unidad. Finalmente, el sistema
de la época del año y de la zona de análisis; por otra de ecuaciones planteado tiene en cuenta las propie-
parte los algoritmos contextuales (Lee and Tag, dades de absorción de la atmósfera, pero no el tér-
1990) están basados en la detección de cambios mino de emisión de la misma.
N.º 20 - Diciembre 2003 19A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
COMPARACIÓN BIRD, MODIS Y AVHRR La banda equivalente en el sensor MODIS tiene
una banda infrarrojo medio, MIR, ligeramente des-
El planteamiento de realizar una comparación plazado respecto del anterior, además de presentar
entre los sensores frecuentemente utilizados en la una función de respuesta marcadamente más estre-
detección de hot-spots debe contemplar no sólo cha. Se trata de la banda 23. Los problemas que pre-
aquellos aspectos relacionados con la detección en senta esta banda son derivados de las condiciones
sí misma, sino también en lo que respecta al análi- geométricas de adquisición del sensor: MODIS rea-
sis sub-píxel, con la finalidad de determinar pará- liza un barrido consecutivo de 10 líneas de 1 km (20
metros relacionados con el fuego como el área de de 500 metros y 40 de 250 metros), lo que provoca
llama, temperatura y consiguientemente la intensi- un solapamiento de los bloques en los extremos de
dad energética del fuego. Es de esperar que este la imagen; este efecto es conocido como bow-tie y
último factor pueda ser un excelente indicador del tiene como consecuencia reducir el campo de visión
poder destructivo y la severidad del incendio fores- para la detección, de ±55º que es el nominal, a ±45º
tal para realizar estimaciones cualitativas aproxi- como campo efectivo.
madas de los daños causados. Además, aunque el Otra dificultad que no presentaba el sensor
concepto de monitoreo del incendio pueda estar ale- AVHRR se refiere a que la respuesta de las bandas
jado de las posibilidades de las resoluciones espa- térmicas en MODIS es triangular y de una longitud
cial y temporal de la teledetección, debemos plan- de base de 2 km por lo que existe un solapamiento
tear la extracción de la mayor información posible, entre píxeles adyacentes de 1 km. Esta disposición
que pueda estar a nuestro alcance. geométrica da lugar a que un incendio dado, por
La banda 3 AVHRR, (3.55-3.93 μm) está centra- muy pequeño que sea, aparezca en dos píxeles con-
da en el máximo espectral de objetos que emiten secutivos. Los algoritmos de detección realizan un
con una temperatura de 800 K tiene el importante test de confidencialidad para reducir los puntos
problema de tener un límite de saturación en los afectados pero los resultados se encuentran aporta-
320-331 K (Robinson, 1991). Este es un límite tan dos en términos de probabilidad (Kaufman and Jus-
bajo que un fuego con una temperatura de 1000 K tice, 1998) .
sobre una superficie no reflectiva de 300 K, tan solo La principal ventaja que presenta la banda MIR
2necesita una superficie de 13x13 m para conseguir MODIS respecto a AVHRR es su límite de satura-
la saturación del píxel. Esta importante dificultad, ción radiométrico, de 500 K, lo que facilita este
capacita al sensor para la detección de focos pero le sensor no sólo para la detección sino para la deter-
incapacita, en la mayoría de los casos para el análi- minación de la temperatura y área del fuego, en un
sis al nivel sub-píxel. intervalo de condiciones mucho más amplio que en
Las restricciones de este sensor estriban, ade- el AVHRR. En este mismo orden de cosas, cabe
más, en la dificultad para elegir un umbral fijo destacar que la función de respuesta de la banda
adecuado aplicable a los algoritmos de detección, MODIS-23 es mucho más estrecha (anchura de
dificultad derivada de su pobre resolución espa- 0.15 mm contra 0.55 mm del AVHRR-3) y se
cial. Para ilustrar este punto tomemos un ejemplo encuentra ligeramente desplazada hacia longitudes
numérico: Tengamos un fuego, cuya temperatura de onda mayores (la longitud de onda central es de
2es de 800 K ocupando 75 m ; este incendio no 4.06 mm en vez de 3.77 mm del AVHRR) lo que
satura el píxel AVHRR, pero no podríamos detec- provoca que se muestre menos afectada por la
tarlo si establecemos un umbral para el píxel de un absorción del vapor de agua, lo que es importante
10% superior a la temperatura del entorno. Sería teniendo en cuenta que este gas es el que muestra
detectable sólo si el umbral establecido fuera mayor variabilidad de cara a la determinación de la
mayor del 20%, superior a la temperatura del transmitancia gaseosa. Además este desplazamien-
entorno; así sería posible la detección y análisis de to reduce en un 40% (Kaufman and Justice, 1998)
subpíxel; sin embargo, si ese mismo fuego ocupa- la contribución de reflectancia solar en esta zona
2ra 25x25 m , obtendríamos una señal saturada que del espectro, por lo que no se necesita un término
incapacitaría el cálculo de la temperatura y super- adicional corrector en las ecuaciones de Dozier.
ficie del fuego. Este ejemplo da una visión clara En el caso del MIR correspondiente al BIRD, la
de la estrecha franja de condiciones área-tempera- función de respuesta es la más ancha de las men-
tura para la cual es posible el análisis sub-píxel cionadas (anchura de 1.1mm), extendiéndose en el
utilizando AVHRR. intervalo [3,4.4 mm]. La Figura 1 muestra gráfica-
20 N.º 20 - Diciembre 2003Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD en la detección de incendios forestales...
mente las tres fnes de respuesta MIR y el efecto del aproximadamente. Sin embargo el fuerte desplaza-
vapor de agua obtenido mediante el código MOD- miento de la función de respuesta del TIR del BIRD
TRAN, para su comparación. hace que la temperatura de la inversión sea a 515 K.
Este hecho se justifica por la mejor resolución espa-
cial del BIRD que es de 370 metros, que al tratarse
de un sensor escalonado se traduce en una resolu-
ción a nivel de imagen de 185 metros. El precio que
debe pagar la banda BIRD-TIR es que en el entor-
no de las 8.9 μm es mayor la absorción atmosférica
que en el entorno a las 11μm donde se encuentran
AVHRR-4 y MODIS-31.
OPERACIONALIDAD DEL BIRD EN LAFigura 1. Funciones de respuesta del canal MIR en los
DETECCIÓN DE HOT-SPOTSsensores AVHRR, MODIS y BIRD, así como la transmi-
tancia espectral del vapor de agua.
A lo largo de la primavera verano de 2003, el
Laboratorio de Teledetección de la Universidad de
Las longitudes de onda centrales de las bandas Valladolid (LATUV) ha realizado el análisis en
MIR y TIR, ponderadas mediante la función de res- tiempo real de imágenes BIRD sobre Galicia, para
puesta se muestran en la Tabla 1. obtener de forma casi instantánea mapas de hots-
spots referenciados a la demarcación territorial de
Concejos y Parroquias, necesidades éstas plantea-
das por la Administración local.
Metodología
La metodología seguida para la obtención de
Tabla 1. Longitudes de onda central de los tres sensores
resultados en cada una de las escenas fue la que seanalizados, calculadas de acuerdo a:
explica a continuación, teniendo en cuenta que todos
los procesos estaban encaminados a resolverse en
tiempos de proceso lo más cortos posible, de forma
que finalmente, el resultado de todos los productos
A la vista de la Tabla 1, la principal diferencia era generado en tiempos aproximados en torno a los
encontrada reside en el sensor TIR del BIRD, muy 25 minutos tras la recepción de la imagen BIRD.
desplazado hacia longitudes de onda más corta res-
pecto a los otros dos sensores analizados. Este 1. Recepción de la escena: En primer lugar tuvo
hecho tiene una especial relevancia en lo que se lugar la recepción de la imagen desde el DLR en
refiere a la elaboración de los algoritmos de detec- Alemania. Las bandas BIRD eran NIR, MIR y TIR,
ción de incendios. Para mostrarlo, hemos realizado con espacios de almacenamiento de 110 Mbytes, 54
el cálculo de la radiancia emitida por el cuerpo Mbytes y 54 Mbytes respectivamente. La Figura 2
negro a diferentes temperaturas utilizando las fnes representa un quick-look de la banda NIR caracte-
de respuesta de los sensores, para determinar cuál rístico de todas las escenas que fueron procesadas a
es la temperatura a la que se invierte la cantidad de lo largo de la campaña.
radiancia obtenida sobre las bandas MIR y TIR.
Este parámetro es importante para establecer 2. Co-registración de las bandas: Este era un pri-
umbrales en los test de detección. En el caso del mer paso del procesado que hubo que resolver en
AVHRR, el punto a partir del cual la radiancia MIR nuestro Laboratorio. Para obtener las funciones
es superior a la TIR sucede a una temperatura apro- polinómicas de transformación entre las bandas
ximada de 475 K; en el caso del MODIS esto suce- MIR y TIR, que funcionaran con coeficientes fijos,
de a una temperatura ligeramente inferior, de 455 K se analizaron previamente escenas de diferentes
N.º 20 - Diciembre 2003 21A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
fue utilizado durante los días de calor extremo
sufridos en toda la península.
El otro de los algoritmos utilizados era contex-
tual, con un análisis de entorno de 9x9 píxeles esta-
bleciendo los umbrales MIR y (MIR-TIR) en el
valor promedio más 4 veces la desviación estándar
de los valores analizados en la matriz. El algoritmo
contextual sólo fue aplicado durante los días sin
cobertura nubosa por el peligro de obtener un gran
número de falsas alarmas. Los mapas de hot-spots
eran aportados con valores de temperatura, píxelesFigura 3. Detalle de superposición de
afectados en cada incendio, coordenadas en la pro-las bandas MIR y TIR para mostrar los
resultados de la co-registración automá- yección UTM-29N y situación administrativa en
tica desarrollada. Parroquia y Concejo.
5. Otros productos: Se procesaban igualmente
partes del mundo, para corroborar otros productos de valor añadido como composición
la validación de dichos coeficientes RGB=MIR-NIR-TIR para la interpretación de la
fijos; así, fueron utilizadas imáge- imagen y archivos vectoriales del mapa de incendios.
nes de China, Rusia y España, esta-
bleciendo una correlación polinó-
mica de grado 3 a través de más de Resultados y Validación
450 puntos de control. Los resulta-
dos fueron claramente satisfacto- La validación de los resultados exigiría disponer
rios como lo muestra la Figura 3 en de informes detallados de la ocurrencia de fuegos a
la que se reproduce el canal TIR de lo largo de la campaña en las horas del paso del saté-
las rías altas gallegas, y con una lite BIRD. Esta información no se encuentra dispo-
superposición en detalle de la nible debido a que en Galicia los fuegos registrados
banda MIR. son de dimensiones muy reducidas en la mayoría de
los casos y pueden desarrollarse en intervalos cortos
3. Georreferenciación: Las co- de tiempo, que no necesariamente coincidirían con
Figura 2. Quick rrecciones geográficas se realizaron el paso del satélite. Por ello, para analizar la meto-
look BIRD-NIR mediante ajuste polinómico de pun- dología aplicada y el sensor que estamos utilizando
tos de control tomando como referen- se recurrión a realizar quemas controladas.
cia una imagen base de NDVI obteni- La Consellería de Medio Ambiente de la Xunta
da por MODIS remuestreada a 250 metros. La imagen de Galicia organizó 17 quemas controladas el día
base, que representaba un escenario libre de cobertura 30 de mayo de 2003, en las cuatro provincias galle-
nubosa, sirvió para agilizar este proceso en cada esce- gas coincidiendo con el paso del satélite BIRD: 5 en
na, que no podía hacerse de forma automática. Lugo, 4 en la Coruña, 4 en Orense y 4 en Ponteve-
dra. Los frentes de fuego de dichas quemas estuvie-
4. Mapas de hot-spots: La detección de hot-spots ron comprendidos entre 10 y 100 metros. Además,
se restringió a la zona de Galicia. Cada día de análi- durante ese día existía un incendio no prescrito y
sis se aplicaron dos tipos de algoritmos de detección; que tenía las dimensiones más grandes de los men-
uno de ellos basado en umbrales fijos de la forma: cionados. Por otra parte, el satélite TERRA tenía
a) T > [325 K , 340K] una órbita ligeramente desplazada temporalmenteMIR
b) (T -T ) > 15 K respecto al BIRD por lo que también podemosMIR TIR
c) T > 265 K introducir los resultados de MODIS en este análisis. TIR
El test c) se refiere al filtro de cobertura nubosa, Los resultados obtenidos en la detección de las
y el paso a), el más importante se trata de un umbral quemas test se pueden resumir en la Figura 4
adaptativo en el intervalo señalado. El valor utiliza- a) y b).
do era elegido en función de la temperatura de La Figura 4 a) representa, sobre la banda MIR del
superficie promedio en la región. El valor de 340 K día de análisis, los resultados de la detección de los
22 N.º 20 - Diciembre 2003Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD en la detección de incendios forestales...
Figura 4. a) resultado de la detección BIRD, de quemas prescritas, utilizando algoritmo basado en umbrales fijos. b) mis-
mos resultados utilizando un análisis contextual.
hot-spots, tras aplicar un algoritmos de umbrales figuraban en la lista de quemas prescritas, marcados
fijos, explicado en en epígrafe anterior. Sobre la con el signo “?” en la figura, por lo que podría tra-
misma figura, se representan además todos los tarse de falsas alarmas. Esto estaría provocado por
pixeles afectados por cada una de las quemas esta- el hecho de que el dispositivo de alerta de fuegos
blecidas. El listado de los hotspots asociados a cada debe ser lo más rápido posible y se omitió el proce-
uno de los grupos es: #1: 4 hs, #2: 7 hs, #3: 4 hs, #4: sado de filtrado de cobertura nubosa. Este es el
5 hs, #5: 13 hs, #6: 5 hs, #7: 2, hs , #8: 5 hs, y #9: inconveniente de los algoritmos contextuales, a
2 hs. El grupo 5 es el más grande y cabe destacar pesar de que en el proceso de validación detectó dos
que tras la comprobación posterior de resultados se grupos más que con umbrales fijos.
verificó que este incendio no estaba en la lista de las El resto de las quemas prescritas no fueron detecta-
quemas prescritas y que se trataba de un incendio das por encontrarse bajo las nubes, que como se apre-
real, a partir de la información facilitada por la cia en la imagen, ocupaban gran parte del territorio.
Administración Local. Además es importante seña-
lar que este fue el único incendio detectado por el
sensor TERRA-MODIS, cuya trayectoria estaba Monitoreo de incendios
ligeramente desplazada temporalmente respecto a
BIRD. Este es un importante resultado de compara- El monitoreo de incendios es un tarea muy aleja-
ción de las capacidades mostradas por los sensores da de las posibilidades de la teledetección, si enten-
BIRD y MODIS en la detección de focos pequeños. demos por tal la extracción de información acerca
Este resultado en forma de mapas de hot-spots fue de la progresión del incendio y su dirección de pro-
aportado por el LATUV a la Administración Local pagación. Ello es debido a que la captación del hot-
teniendo total desconocimiento del número de que- spot es instantánea, en primer lugar, y hasta ahora la
mas en escena ni de su localización geográfica. resolución espacial del térmico sólo aportaba uno o
Posteriormente y con el ánimo de analizar y dos puntos afectados en el caso de incendios no
depurar algoritmos se realizó un test contextual, muy grandes.
mencionado en el apartado de metodología, obte- El sensor BIRD, sin embargo, es capaz de reali-
niendo los resultados resumidos en la Figura 4 b). zar la detección de pequeños incendios y además
Entonces fueron obtenidos dos grupos adicionales aportar varios pixeles afectados, como se ha visto
10 y 11 de hot-spots, que como se aprecia eran de en el anterior apartado, por lo que mediante la dife-
más reducido tamaño al tener sólo dos píxeles afec- renciación de temperaturas es posible determinar la
tados. Estos grupos fueron validados correctamente dirección de propagación de pequeños focos.
en la lista de coordenadas de quemas test. Sin Para mostrar los resultados de esta temática,
embargo, se obtuvieron tres puntos más, que no podemos analizar una quema prescrita en la provin-
N.º 20 - Diciembre 2003 23A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
cia de Salamanca, el la Sierra de Francia, realizada ciar que se trataba de un incendio dinámico con
en el marco del proyecto REMFIRESAT. Se trataba desplazamiento debido a la fuerte acción del vien-
de una zona poblada principalmente de matorral de to durante la quema. En la parte derecha de la
jara. La quema fue realizada durante el mes de abril figura se representa la temperatra coloreada de los
de 2003, coincidiendo con el paso de tres sensores: pixeles afectado por el fuego, sobre los que se ha
LANDSAT-ETM+, TERRA-MODIS y BIRD. El realizado un proceso de interpolación espacial
sensor ETM+ aunque visualizó la prueba inicial no para la determinación de las líneas isotermas y con
está relacionado con el presente trabajo. En el caso ello la visualización de la trayectoria del fuego;
de los otros dos, existía una diferencia de paso de obsérvese cómo el gradiente de temperatura de la
25 minutos aproximadamente y en ambos casos se parte izquierda, que es la dirección de propaga-
trataba de una trayectoria con elevación entre 85º y ción, es mucho más acentuado que en otras direc-
90º. El tamaño de la parcela era de 12 ha. y el fuego ciones. Finalmente se representa el perfil de tem-
se realizó en dos etapas perfectamente coordinadas peraturas de un transecto para corroborar los
para que en el paso de ambos sensores el estado del anteriores resultados.
fuego fuera aproximadamente el mismo, lo que se En las tareas de monitoreo de incendios también
consiguió como se aprecia en las fotografías que están contempladas la determinación de la tempera-
fueron tomadas. Al tratarse de una quema de una tura y superficie del fuego, así como la determina-
extensión de fuego aproximada de 1.5 ha. el resul- ción posterior de la intensidad energética del
tado de la detección con MODIS fue de un solo mismo. Para ello se ha aplicado la metodología de
píxel afectado (dos en realidad por la configuración Dozier (Dozier, 1981; Matson and Dozier, 1981) a
de la respuesta del térmico, pero uno sólo tras la los sensores MODIS y BIRD para comparar los
realización del test de confidencia). Los resultados resultados obtenidos. A lo largo del estudio se ha
de la detección en BIRD se resumen en la Figura 5, tomado la aproximación de que la superficie obser-
en la que se representa en primer lugar la fotografía vada es un cuerpo negro por lo que la emisividad
real del incendio tomada a pie de tierra, para apre- espectral ha sido establecida en la unidad. Esta
* Figura 5. Análisis de una quema controlada mediante el sensor BIRD.
Todas las figuras precedidas de asterisco se incluyen en el cuadernillo anexo de color
24 N.º 20 - Diciembre 2003Operacionalidad y capacidades del satélite BIRD en la detección de incendios forestales...
aproximación implica despreciar completamente el de 291 K y la ecuación de transferencia de calor por
término de la radiancia reflejada en la banda MIR, radiación:
lo que no debiera ser de gran magnitud dado que en
relación al AVHRR, en el caso de MODIS la lon-
gitud de onda central es mayor. La resolución del
sistema de las dos ecuaciones de Dozier ha sido siendo σ la constante de Stefan-Boltzmann, S lak
realizada por métodos numéricos por no ser ecua- superficie del fuego y T la temperatura del aire.a
ciones explícitas y en todos los casos presentados Este resultado no es el mismo que si se considera la
en este trabajo las soluciones han sido convergen- temperatura del fuego ponderada y su superficie
-4tes con un error inferior a 1·10 en la determina- total en vez de la contribución individual de todos
ción del parámetro f, lo que resulta satisfactorio en los píxeles implicados.
el orden de las extensiones manejadas. La transmi- Lógicamente, la diferente resolución de los sen-
tancia para cada una de las bandas MIR y TIR fue sores utilizados ha dado lugar a que el número de
determinada mediante el código MODTRAN utili- píxeles afectados por el incendio fue diferente. En
zando un perfil estándar de medias latitudes. A par- el caso de BIRD han sido considerados 9 píxeles
tir de la transmitancia espectral fue determinada afectados sobre los que se ha realizado el análisis
una transmitancia central, ponderada para toda la sub-píxel. La temperatura de superficie utilizada
respuesta espectral de las bandas MIR y TIR de ha sido obtenida mediante el promedio de píxeles
cada uno de los sensores MODIS y BIRD, median- circundantes a los afectados. Las temperaturas de
te la expresión: fuego obtenidas en los píxeles involucrados se
encontraron comprendidas en el intervalo [571,
977 K] y proporcionaron una temperatura ponde-
rada aproximada del incendio, T de 727 K, conf
una superficie total afectada de 1.02 ha. Este
Para comprobar los errores cometidos en la resultado, aunque ligeramente diferente, es con-
determinación de la radiancia utilizando la longi- cordante con el resultado obtenido por el DLR
tud de onda y transmitancia centrales se ha com- utilizando su propia metodología (Zhukov, 2003),
parado la resolución de la ecuación de Planck de 775 K y 1.22 ha. y ligeramente superiores, en
integrada y ponderada mediante la función de res- ambos casos, según las estimaciones aportadas
puesta de los sensores y la transmitancia espectral por el personal forestal de campo en lo referente
con la transmitancia central y la función de a la superficie de fuego.
Planck sobre la longitud de onda central, en un En el caso del sensor MODIS a la zona afecta-
intervalo de temperaturas [273-1000 K] obtenien- da la fue aplicada el procedimiento, encontrando
do un error máximo de 0.2%, lo cual justifica ple- temperaturas del fuego de 601 K y 719 K, y una
namente la utilización de dichos valores pondera- superficie total afectada de 2.65 ha. Si damos por
dos en la resolución del sistema de ecuaciones de válido el valor aportado por BIRD, encontramos
la radiancia. una temperatura más baja, de 634 K y un área
Para los dos sensores estudiados el fuego analiza- afectada más elevada. Esta diferencia no debería
do se encontró ocupando más de un píxel, por lo ser extraña teniendo en cuenta la comparación de
que el análisis sub-píxel fue realizado a todos los dos sensores absolutamente diferentes en la reso-
píxeles k implicados, obteniendo para cada uno de lución espacial y el fuerte efecto que sobre ello
ellos, una T y una superficie S . La superficie produce la PSF (Point Spread Function) del sen-f,k k
final manejada para la determinación de la intensi- sor. Baja resolución espacial sobrevalora la
dad del incendio y la temperatura T aproximada y superficie de fuego e infravalora la temperatura.f
ponderada del fuego, fueron determinadas median- Esto indujo a pensar que la magnitud que conta-
te las expresiones: biliza el efecto conjunto de superficie y tempera-
tura, esto es, la intensidad, podría ser similar para
los dos sensores. En efecto, el valor de la intensi-
dad del incendio aportado por el DLR usando
BIRD fue de 245 MWatts prácticamente idéntico
Finalmente, la intensidad energética del incendio al valor de 241.5 MWatts obtenido en el análisis
ha sido calculada tomando una temperatura del aire del sensor MODIS.
N.º 20 - Diciembre 2003 25A. Calle, A. Romo, C. Moclán y J. Sanz
Figura 6. Variaciones del resultado de Tf e Intensidad en función de la temperatura de superficie, para el píxel MODIS
más afectado.
En el análisis cabe destacar la gran importancia AGRADECIMIENTOS
que tiene el valor introducido para la temperatura
de la superficie, cuyas variaciones se encuentran en Este trabajo se ha realizado en el marco del Pro-
relación parabólica con las obtenidas para el fuego. yecto REMFIRESAT, financiado por la ESA, con la
Pequeños errores en la adopción de la temperatura colaboración de las empresas INSA y Globalcom y
de superficie del sistema redundan en errores de la Junta de Castilla y León y Proyecto DEMO-
mucho más grandes en la temperatura del fuego. BIRD financiado por la ESA.
Ver Fig. 6.
BIBLIOGRAFÍA
CONCLUSIONES
ARINO, O. AND ROSAZ, J. 1997, 1998 and
El sensor BIRD se presenta como el sensor más 1999. World ATSR fire atlas using ERS-2
capacitado para realizar la detección de focos ATSR-2 data. Proceedings of the Joint Fire
pequeños de incendios. Sus capacidades, derivadas Science Conference, Boise, Idaho, 15-17 June
de su excelente resolución espacial en el térmico, 1999, edited by L.F. Neuenschwander, K.C.
así como la aplicación de un rango dinámico de Ryan and G.E. Gouberg. University of Idaho
calibración radiométrica mejoran ostensiblemente and the International Association of Wildland
las capacidades de AVHRR y MODIS en la tarea de Fire; pp. 177-182.
análisis de sub-píxel. Al tratarse de un satélite expe- BRIESS, K., H. JAHN, E. LORENZ, D. OERTEL,
rimental, su frecuencia temporal es muy baja, y su W. SKRBEK AND B. ZHUKOV. 2003. Fire
reducido campo de visión no satisfacen la obten- recognition potential of the bi-spectral Infrared
ción de resultados diariamente. Detection (BIRD) satellite. Int. Jour. Rem. Sens.
En la aplicación del análisis de subpíxel, se 24(4): 865-872.
observa que sensores de diferente resolución espa- CASANOVA, J. L., CALLE, A. AND GONZÁ-
cial aportan diferentes valores de la superficie y LEZ-ALONSO F. 1998. A Forest Fire Risk
temperatura de fuego, parámetros con no demasia- Assessment obtained in real time by means of
da información por separado, pero los resultados NOAA satellite images. Forest Fire Research.
son coincidentes en el parámetro de intensidad. III. International Conference on Forest Fire Rese-
thÉste puede ser un valioso indicador del poder des- arch and 14 Conference on Fire and Forest
tructivo de un incendio. Meteorology. Volume I: 1169-1179.
26 N.º 20 - Diciembre 2003